基于断口分析的地铁弹簧断裂失效机理研究

基于断口分析的地铁弹簧断裂失效机理研究

杨俊松

中车贵阳车辆有限公司

摘要：故障弹簧的断裂是地铁系统中严重的问题，需要快速进行故障分析和解决。本文以故障弹簧的基本情况、制造过程、检测分析和断裂失效机制为主要内容，对故障弹簧的问题进行了深入研究。通过目视观察、金相检测、化学成分分析、力学性能试验和断口扫描电镜观察等方法，可以综合分析故障弹簧断裂的原因。最后，本文总结了故障弹簧的断裂失效机制是内因和外因共同作用的结果，需要综合考虑多种因素的影响。

关键词：故障弹簧；断裂；失效机制；制造过程；检测分析

引言：地铁系统作为城市公共交通的重要组成部分，承载着大量的乘客和货物运输任务。在地铁运行的过程中，弹簧作为一种承受和缓冲动态载荷的关键部件，起着至关重要的作用。然而，弹簧的故障和断裂是地铁系统中常见的问题，可能导致严重的安全隐患和运行故障，甚至造成系统的瘫痪。针对故障弹簧的问题，进行故障分析和解决变得至关重要。理解故障弹簧的断裂失效机理，对于改进制造工艺、提高弹簧的可靠性和寿命具有重要意义。

一、故障弹簧基本情况

在地铁系统中，弹簧是承受和缓冲各种动态载荷的关键部件。当地铁弹簧发生故障并断裂时，这通常是一个严重的问题，需要迅速进行故障分析和解决。断裂的弹簧通常会有明显的断口，通过对这些断口的分析，可以深入了解弹簧断裂的失效机理[1]。

具体的断口形态、断裂位置、弹簧材质以及使用环境等因素都可能为故障分析提供重要线索。例如，断口的形态可能会显示出弹簧是受到过载、疲劳还是腐蚀等因素的影响。如果断口呈现出疲劳断裂的特征，那么可能说明弹簧在工作过程中受到了过度的循环载荷。如果断口呈现出腐蚀的形态，那么可能说明弹簧在使用环境中受到了腐蚀介质的侵袭，如下图1所示。

图1 故障弹簧图

二、故障弹簧制造过程情况

（一）故障弹簧基本信息

在深入研究故障弹簧的制造过程之前，首先需要了解故障弹簧的基本信息。这包括弹簧的类型（压缩、拉伸或扭转）、材料（通常是钢或其他合金）、设计参数（如线径、外径、自由长度等）以及预期的工作条件（如最大载荷、工作温度等）。这些基本信息提供了弹簧设计和制造的基础背景，为分析制造过程中可能的问题提供了依据。

（二）故障弹簧使用情况

了解故障弹簧的使用情况对于分析其制造过程的问题至关重要。使用情况包括弹簧在实际应用中的工作条件，例如载荷类型、载荷大小、工作频率、环境温度和湿度等。此外，还需要了解弹簧在使用过程中的维护和保养情况，如润滑、防腐措施等。这些信息有助于确定是否制造过程中的问题导致了弹簧在实际使用中的失效。

（三）弹簧的制造工艺流程

弹簧的制造工艺流程通常包括原材料准备、线材加工、热处理、表面处理、检验和包装等环节。具体流程可能因弹簧类型和材料而异，但一般而言，制造过程中的每个步骤都可能影响到弹簧的最终性能和寿命。例如，热处理过程中的温度和时间控制会影响弹簧的力学性能，表面处理的选择则可能影响弹簧的耐腐蚀性。

（四）故障弹簧制造过程分析

针对故障弹簧，需要详细分析其制造过程中的每一个环节，以确定可能的问题所在。这可能涉及到对原材料质量的检查、线材加工参数的核实、热处理过程的温度和时间记录、表面处理的评估等。通过分析制造过程中的这些数据，可以确定是否存在偏离标准操作的情况，以及这些情况是否可能导致弹簧的最终失效。例如，如果热处理过程中的温度控制不当，可能导致弹簧的内部组织结构出现异常，从而影响其力学性能，最终导致断裂失效。

三、故障弹簧检测分析

（一）目视故障弹簧宏观断口

在进行弹簧断裂失效分析时，首先进行的通常是目视检查。通过直接观察弹簧的断口，可以获得一些初步的信息。例如，断口的形貌、颜色、光泽等可以提供关于断裂模式、断裂过程以及可能的断裂原因的一些线索。如果断口呈现出典型的疲劳断裂特征，如海滩状花纹，那么可以初步判断弹簧是由于疲劳失效。如果断口呈现脆性断裂的特征，那么可能是由于过载或者材料问题导致的[2]。

（二）故障弹簧检测方法介绍

1．金相检测：通过显微镜观察弹簧材料的金相组织，可以判断材料的热处理状态、晶粒度等信息。

2．化学成分分析：通过光谱仪等设备对弹簧材料进行化学成分分析，以确定材料是否符合设计要求。

3．力学性能试验：通过拉伸、冲击等试验，可以获取弹簧材料的力学性能数据，如抗拉强度、冲击韧性等。

4．断口扫描电镜观察：使用扫描电镜对断口进行高倍观察，可以更详细地分析断裂过程和断裂原因，如下图2所示。

图2 故障弹簧化学成份

（三）故障弹簧检测结果分析

尽管弹簧按照工艺要求进行生产，且各项检测结果均符合技术要求，但在使用过程中仍出现了疲劳断裂。经过对断口的宏观和理化分析，确定断裂是由于疲劳源引起的，且疲劳源的形成与支承圈与工作圈的接触不均匀有关。由于生产过程中存在极个别弹簧处理不到位的情况，这使得局部存在接触不均匀的应力集中点，长时间反复挤压后形成微裂纹，最终导致疲劳断裂[3]。因此，需要改进生产过程中的复核标准和流程，以避免类似问题的再次发生，如下图3所示。

图3 故障弹簧断口

四、故障弹簧断裂失效机制

弹簧的断裂失效是其在使用过程中最为严重的失效形式，通常会导致整个系统的瘫痪。对于故障弹簧的断裂失效机制，需要进行深入剖析。断裂失效的基本原因可归结为内在因素和外在因素。内在因素主要包括材料的缺陷、制造过程中的瑕疵等；而外在因素则涉及到使用环境、工作载荷、维护保养等。通过对故障弹簧的断口形貌分析，可以进一步揭示其断裂失效的机理。例如，疲劳断裂通常呈现出典型的疲劳辉纹和裂纹扩展区，而脆性断裂则表现为平滑、光亮的断口形貌。然而，实际的断裂过程往往是多种因素共同作用的结果。

结语：本文对故障弹簧的问题进行了深入研究和分析，从故障弹簧的基本情况、制造过程、检测分析到断裂失效机制等方面进行了探讨。通过对断口形态、断裂位置、弹簧材料和使用环境等因素的分析，可以深入了解故障弹簧的失效机理。

制造过程中的问题可能导致弹簧的断裂失效，因此对制造工艺流程进行详细分析是必要的。通过对原材料质量、加工参数、热处理过程和表面处理等环节的检查和评估，可以确定制造过程中可能存在的问题，为弹簧的最终失效找出原因。
 

参考文献：

[1]张晓明，王建国，王柏骥. 弹簧故障的分析与研究[J]. 机械设计与制造工程, 2018, 47(5): 85-89.

[2]李文杰，赵海洋，谭楠等. 地铁弹簧故障的检测与分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2020, 17(2): 184-191.

[3]张文，王圣杰，李峰. 地铁弹簧故障的监测与预防措施研究[J]. 铁道标准设计, 2019, (11): 147-152.